鄰近發電機組的沖擊負荷對功率分配的影響

喬立慧

（山西工程職業技術學院，山西 太原 030009）

鄰近發電機組的沖擊負荷對功率分配的影響

喬立慧

（山西工程職業技術學院，山西 太原 030009）

針對交流電弧爐運行中所產生的巨幅頻繁變化的沖擊負荷，分析了在調速器動作之前和調速器動作之后對鄰近發電機組功率分配的影響，并提出通過合理選擇沖擊負荷接入點，來減少對系統發電機的沖擊影響，最后通過某地區實際電網驗證了分析結論的正確性和可行性。

交流電弧爐；沖擊負荷；沖擊功率分配；調速器；電網；發電機

0 引言

交流電弧爐在熔化期下降電極起弧、“穿井”期間爐料崩塌使電極接觸廢鋼造成短路后電極快速提升引發斷弧，造成負荷的巨幅頻繁變化，從而引起電壓的大幅波動和局部頻率的變化，有可能影響電力系統臨近發電機組的正常運行。目前，針對無功功率變化從而引起的電壓波動，通過安裝靜止型動態無功補償裝置SVC（Static Var Compensator）可以得到有效解決。對于有功功率的沖擊對臨近發電機組的影響研究還很少，也缺乏有效地治理措施[1-2]。此外，對于由聯絡線連接的區域電力系統而言，沖擊功率每一次沖擊都伴隨著兩區域間發電機群之間的功率搖擺，這些機群在不同時刻，對于沖擊做出不同地響應，使這些電機群間的聯絡線上功率振蕩，有可能導致系統不穩定。

1 基本原理

如圖1所示的電力網絡，當在網絡中某處突然加上負荷PLΔ時，負荷的突然變化會造成發電機與負荷間的不平衡，在系統平息到新的穩態情況之前，將要產生一個振蕩的暫態過程。假設網絡已簡化成內部的發電機節點i（1，2…n） 和加上沖擊PLΔ的負荷節點k。

圖1 在節點k上加上沖擊功率的網絡

發電機用暫態電抗后的恒定電勢的經典模型來表示，流入節點i的功率為

式中：Gii、Gij、Gik——節點處的電導；

Bik——轉移電納；

Ei、Ej——節點處的電動勢；

Vk——節點電壓；

EiEjBijsinδij——i和j間的功率系數；

EjVkBkjsinδkj——k和j間的功率系數。

對于高壓電網，電導接近于零，則

而流入負荷節點k的功率為

在PLΔ發生的瞬間，節點k的電壓由于無功功率恒定不變，而它的相角由于有功功率發生了變化，即由Vk＜δk0變為Vk＜δk0+δkΔ，加上發電機轉子的慣性，發電機節點的內角δ1，δ2…，δn，不會立即改變。

對于非線性功率方程式（2）和式（3），因為只關心沖擊負荷功率PLΔ，方程線性化后得

并且只確定變化量PiΔ和PkΔ。對于任何k、j，三角函數線性化為

因為δkj=-δjk，由三角函數線性化可將式（2）和式（3）消去初始值，得

其中，PSij=EiEjBijcosδij0，稱為i和j間的同步功率系數；PSkj=EjVkBkjcosδkj0，稱為k和j間的同步功率系數。

對于沖擊發生瞬間的t=0+時刻，需要精確地確定在沖擊功率PLΔ中由每臺發電機所供給的PiΔ（i=1，2，…n）。

在t=0+的瞬間，由于轉子的慣性對于所有發電機δiΔ=0，可以得到

則式（8）和（9）成為

比較式（13）和式（14）方程，在節點有

在節點i，PiΔ決定于Bikcosδik0。轉移電納Bik愈高，初始角δik0愈小，由發電機i所承擔的沖擊分量就愈大。又因為PkΔ=-PLΔ，則

從式（15）和式（16）式可得

在負荷沖擊的瞬間（即t=0+），發電機所供給的能量是它們磁場中所貯藏的能量，而且是按照i和k間的同步功率系數進行分配。由PSkj=EiVkBkjcosδkj0=得知

由于Ei和Vk大小不變，在電氣上靠近沖擊點的發電機，將承擔較大的負荷而與其容量的大小無關。

因電機i突然增大輸出功率PiΔ，造成轉軸減速，決定電機i運動的增量微分方程為

式中：wR——基準系統的角頻率；

PiΔ（t）——某時刻功率變化量。

將式（18）代入式（20）算出加速度的值為

顯然，對于正的沖擊負荷，轉軸要減速，且與同步功率系數和慣性常數有關。

在調速器動作前，即0＜t＜t1期間，其中t1是調速器開始動作的時間。在不大于數秒鐘的一個短暫的時期，把系統看成一個整體，在這時期內發電機將全面地減速。為求得平均加速度，對所有數值的方程組式（21）相加得

在0＜t＜t1期間，不同的發電機將僅按其慣性時間常數的函數來分擔負荷的增加，并且，時間t1要足夠大，使得所有的發電機將獲得平均的系統減速。在調速器動作后，即t＞t1時，發電機將按照調速器的下降特性來分擔負荷。這個階段的轉變是振蕩的[3]，具有調速系統的機械功率的變化PmΔ如下（略去PeΔ）

式中：R——調速率；

τs——伺服馬達的時間常數。

在S域內電機i的搖擺方程成為

系統的特征方程可寫成

從式（27）可估算出振蕩的固有頻率。

2 原動機調速系統模型

調速系統模型如圖2所示。

圖2 原動機調速系統模型

3 算例及分析

用上述方法對某實際電網進行仿真計算，其中不考慮負荷的無功分量。算例系統中重點研究區域的接線圖如圖3所示，圖3中，C、D為系統的220kV變電站，E為500kV變電站，F和G分別接200MW的發電機，A、B為煉鋼廠220kV降壓站，A1、A2、A3、B1、B2、B3為煉鋼廠110kV降壓站。A站是沖擊負荷的接入點。

圖3 某區域仿真系統

在節點A處接入2臺160t電弧爐，有功沖擊達100MW，其所在處的最大短路容量為10526MVA，計算所用的基值容量為100MVA，分別對F站和G站的發電機的功率分配問題進行分析，且兩站內的電機的慣性常數相等。

使用暫態穩定程序B P A，對于無調節器作用的系統運行情況，即沖擊加上后（t=0+）和初始暫態已平靜下來經過一個短時間（t=t1）后兩站的發電機的功率分配，以及對于t＞t1調節器動作后，F站和G站的發電機的功率分配。

3.1 t=0+功率分配仿真結果

在負荷沖擊的瞬間（即t=0+），取仿真時間為5 0個周期，F站和G站的發電機的功率仿真曲線如圖4所示。

圖4 t=0+發電機功率分配曲線

從圖4可以看出F站的初始功率為203.4MW，G站的初始功率為200.15MW，在t=0+瞬間，發電機所供給的能源是它們磁場中所貯藏的能量，而且是按照F和G間的同步功率系數進行分配。發電機的轉子角不能立即移動，因此，發電機供給的能量不能立即來自轉動部分所貯藏的能量。因為F站的發電機靠近沖擊點，它的同步功率系數比G站要大。因此，在電氣上在t=0+時，靠近沖擊點的發電機，將承擔較大的負荷而與其容量的大小無關，這與實際中的值是吻合的。為了減少沖擊負荷對電力系統發電機的影響，可以將沖擊負荷接入距離該發電機電氣距離較遠的地方。

3.2 t=t1功率分配仿真結果

一個短的暫態過去后，為使時間t1足夠大，以便驗證上面理論計算的結論，不妨把發電機的調速系統去掉，取仿真時間為500個周期，F站和G站發電機的功率仿真曲線如圖5所示。

圖5 t=t1發電機功率分配曲線

從圖5可看出F處和G處在t1時刻功率分配基本相同，這是因為在初始暫態終了時，負荷的沖擊功率PLΔ將由電機按它們的慣性來分擔。而實際中F和G處電機的慣性常數相同。

3.3 t＞t1功率分配仿真結果

時間t選擇足夠大后，轉速的變化將為原動機的調速器感知，即調速器動作后，它們的動作使得發電機按照調速器的下降特性來分擔負荷。仿真曲線如圖6所示。

從圖6可看出，調速器動作后，F處的轉速偏差要大于G處，意味著在F處的發電機上有大的負荷增加。因為調速器具有下降的特性，在額外負荷存在期間轉速要保持一個偏差。如果是一個大的偏差，則分配的功率就多，即t＞t1時，功率分配是按調速器的下降特性來分擔的。

圖6 t＞t1發電機轉速偏差曲線

4 結論

對交流電弧爐在鄰近發電機組時產生的沖擊負荷對功率分配的影響進行仿真，結果表明，在不考慮負荷無功分量的情況下，隨著一個沖擊負荷的變化，同步發電機將按照同步功率系數來分擔沖擊，也就是說在電氣上靠近沖擊點的發電機，將承擔較大的負荷而與其容量的大小無關，經過一個短的時期后將按慣性來分擔，最后轉速的變化將為原動機的調速器感知，它們的動作使得發電機按照調速器的下降特性來分擔負荷。如果此時的系統頻率偏差超出了調頻機組動作的限值，則調頻廠的發電機組將會承擔所有的負荷沖擊功率，從而保證頻率不變。可以通過合理選擇沖擊負荷接入點來減少對系統發電機的沖擊影響，即將沖擊負荷接入距離受影響發電機電氣距離較遠的地方。

［1］ 顧丹珍，艾芊，陳陳，等.沖擊負荷實用建模新方法［J］.電力系統自動化，2006，30（20）：10-14．

［2］ 畢勝春，張鑫，沈斌.沖擊負荷對地區電網影響的分析與對策［J］.上海電力學院學報，1999，15（3）：6-12．

［3］ 高超，程浩忠，李宏仲，等.大容量沖擊負荷對地區電網暫穩定性的影響［J］.電網技術，2008，32（1）：33-35.

Research on the Influence of Impact Loads of Adjacent Generators on Power Assignment

QIAO Li-hui
（Shanxi Engineering Vocational College，Taiyuan，Shanxi030009，China）

In this paper,it analyzes the influences of the impact load of AC electrical arc furnace on the assignment of impact power of adjacent generator units before and after the action of the governor.Appropriate connection to impact load can reduce the impact influence on generator.The author then proposes measures of improvement and verifies the correctness and feasibility of the conclusions of this analysis by giving an example of the power grid in a region.

AC electrical arc furnace；impact load；impulse power assignment；governor；power grid；generator

TM761+.23

A

1671-0320（2012）01-0040-04

2011-10-10，

2011-11-21

喬立慧（1963-），女，山西太谷人，1985年畢業于太原工業大學電力系統及其自動化專業，副教授，從事電氣自動化的教學與研究。